JP7301443B2 - Methods, apparatus, systems and computer program products related to filtration processes - Google Patents
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Description
濾過プロセスは、例えば物質の様々な成分を分離するために、バイオテクノロジー業界、製薬業界、食品関連業界等の多くの業界で用いられる。濾過プロセスの種類として、デッドエンド濾過とクロスフロー濾過が挙げられる。デッドエンド濾過では、流体(「供給液」として知られている)が、典型的には膜を含むフィルタに通され、特定の固体や粒子をフィルタで捕捉する一方で、残りの流体(「透過液」や「濾液」として知られている)がフィルタを通り抜ける。クロスフロー濾過(「接線フロー濾過」としても知られている)では、供給液は原理的にはフィルタの表面に沿って接線方向に伝播する。フィルタにわたって圧力差(膜横断圧力(TMP,trans‐membrane pressure)として知られている)が与えられて、供給側が対向側(透過側として知られている)に対して相対的に陽圧になるようにする。これによって、物質(細孔径よりも小さな寸法を有する物質)の一部がフィルタを通り抜ける。膜を通り抜けない流体(「残渣」として知られている)は、典型的には供給容器又は他の容器に戻され、更に膜に通すようにしてリサイクルされ得る。 Filtration processes are used in many industries, such as the biotechnology industry, the pharmaceutical industry, the food industry, etc., for example, to separate various components of a substance. Types of filtration processes include dead-end filtration and cross-flow filtration. In dead-end filtration, the fluid (known as the "feed") is passed through a filter, typically containing a membrane, which traps certain solids and particles while the remaining fluid (the "permeate") known as "liquor" or "filtrate") passes through the filter. In cross-flow filtration (also known as "tangential flow filtration"), the feed liquid is principally propagated tangentially along the surface of the filter. A pressure differential (known as trans-membrane pressure (TMP)) is applied across the filter to create a positive pressure on the feed side relative to the opposite side (known as the permeate side) make it This allows some of the material (material with dimensions smaller than the pore size) to pass through the filter. Fluid that does not pass through the membrane (known as "residue") is typically returned to a supply vessel or other vessel and may be recycled through the membrane.
フィルタの特性は、こうした濾過プロセスの設計及び実施において重要な要因である。細孔径やフィルタ寸法等の要因が、所与のプロセスに対するフィルタの適性に影響し、また、所要の生成物の所与の品質をもたらすのに必要な時間等も要因となる。 Filter characteristics are important factors in the design and implementation of such filtration processes. Factors such as pore size and filter size affect the suitability of a filter for a given process, as are factors such as the time required to produce a given quality of desired product.
図1は、一例に係るシミュレーションプロセスを実行するように構成されたコンピュータ型デバイスの形式の装置(以下、シミュレーション装置100)を示す。シミュレーション装置100は少なくとも一つのプロセッサ102を備え、そのプロセッサ102は非一時的コンピュータ可読記憶媒体104に通信可能に結合され、その記憶媒体104には一組のコンピュータ可読命令106が記憶されている。一組のコンピュータ可読命令106は少なくとも一つのプロセッサによって実行され得て、本願記載のいずれかの例に係る方法を少なくとも一つのプロセッサ102に行わせる。また、シミュレーション装置100はインタフェース108を備え得る。インタフェース108はユーザインタフェース、例えば、キーボード、マウス、タッチスクリーン、他の入力デバイス等を備え得る。代替的に又は追加的に、インタフェース108は通信インタフェースを備えて、例えば、有線又は無線通信を介して、インターネットを介して、ユーザや他の存在と遠隔で通信し得る。
FIG. 1 illustrates an apparatus in the form of a computer-type device (hereinafter simulation apparatus 100) configured to perform an example simulation process. The
少なくとも一つのプロセッサ102は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、プロセッサモジュールやサブシステム、プログラマブル集積回路、プログラマブルゲートアレイ、又は他の制御デバイスや計算デバイスを含み得る。コンピュータ可読記憶媒体104は、一つ又は複数のコンピュータ可読記録媒体として実現され得る。コンピュータ可読記憶媒体104は、多様な形式のメモリ、例えば、半導体メモリデバイス(ダイナミックランダムアクセスメモリモジュールやスタティックランダムアクセスメモリモジュール(DRAMやSRAM)、イレーサブルプログラマブルリードオンリメモリモジュール(EPROM)、エレクトリカリイレーサブルプログラマブルリードオンリメモリモジュール(EEPROM)、フラッシュメモリ等)、磁気ディスク(固定ディスク、フロッピーディスク、リムーバブルディスク等)、他の磁気媒体(テープ等)、光学媒体(コンパクトディスク(CD)やDVD等)、他の種類の記憶デバイスを含み得る。コンピュータ可読命令106は一つのコンピュータ可読記憶媒体に記憶され得て、又は、複数のコンピュータ可読記憶媒体に記憶され得る。
At least one
図2は、一例に従ってシミュレーションされる濾過プロセスが実行可能な例示的な濾過システム200を概略的に示す。図2の例示的な濾過システム200は、クロスフロー濾過プロセスを行うためのものである。
FIG. 2 schematically illustrates an
濾過システム200は供給容器202とフィルタデバイス204を含み、フィルタデバイス204は膜206とフィルタチャネル208を含む。流体(供給液)が、供給容器202からフィルタチャネル208の第一端に通される。次いで、供給液はフィルタ膜202の表面にわたってフィルタチャネル208を流れる。膜206にわたる圧力差によって、一部成分(濾液)、例えば、膜206の細孔よりも小さな寸法を有する成分が膜206を通り抜けて、フィルタデバイス204の透過側210に向かうようにする。図の例では、濾液はフィルタデバイス204から流出し、流出管212を通り、そこから例えば収集され得る。膜を通り抜けない成分(残渣)は供給容器202に戻される。残渣は、更なる濾過サイクルにおいて供給液として再利用され得る。
図2のシステム200で使用可能なフィルタデバイス204の例として、カートリッジフィルタとカセットフィルタが挙げられる。カートリッジフィルタ(中空繊維フィルタとしても知られている)では、膜は一組の平行な中空繊維を備える。供給液は繊維の内腔を通り、濾液は繊維を通り抜けて、一組の繊維の外側から収集され得る。カセットフィルタは、支持スクリーンによって互いに離隔して保持された複数の(典型的には平坦な)膜シートを保持する筐体を含む。供給液は膜シート同士の間を通る。濾液はシートを通り抜けて、供給液が通る側と反対側のシートの側から収集され得る。
Examples of
図2に例示されるような濾過プロセスは多種多様な目的、例えば、バイオテクノロジー、製薬、石油化学、食品技術の目的で使用され得る。システム200が使用可能なバイオテクノロジープロセスとして、細胞の採取プロセス、細胞や溶解物の分類プロセス、タンパク質の分画プロセス、濃縮プロセス、透析濾過プロセスが挙げられる。場合によっては、濾過の目的は濾液を得ることであり、つまり、濾液が更に使用される所望の生成物であるが、他の場合では、所望の製品は残渣であるか、又は残渣と濾液の両方であることに留意されたい。
Filtration processes such as illustrated in FIG. 2 can be used for a wide variety of purposes, such as biotechnology, pharmaceutical, petrochemical, food technology purposes. Biotechnology processes in which the
図3は、使用時のフィルタデバイス204の一例を示す。フィルタデバイス204は半高さ(半径)hのフィルタチャネル208を含み、そのフィルタチャネル208を流体が長さLのフィルタ膜206の表面にわたって速度u(y)で流れる。固化した溶質の層300(「ケーク」や「ゲル」層と呼ばれることも多い)が、膜206の表面上に形成され、その厚さδは膜206の長さに沿って異なり得る。濾液流束J(x)(単位時間当たりで単位面積当たりの膜206を流れる濾液の体積)は、例えば、ゲル層300の影響のため、膜206の長さに沿って異なり得る。
FIG. 3 shows an example of
図4は、一例に係る濾過プロセス用にフィルタデバイスを選択する方法400を示す流れ図である。
FIG. 4 is a flow diagram illustrating a
402では、シミュレーション装置100はインタフェース108を介して入力データを受信する。404では、シミュレーション装置100は、受信した入力データに基づいて、図2に関して上述したプロセス等の濾過プロセス用に複数のフィルタ特性の各々について一つ以上のフィルタ特性を特定する。
At 402 ,
フィルタ特性の例として、フィルタの幾何学的特性、例えば、その上を供給液が流れる膜206の長さ、膜の面積、供給液が膜206の上を流れるにつれて通り抜けるチャネルの高さ(直径)又は半高さ(半径)等や、多孔度といった膜特性が挙げられる。一例では、入力データはこれら特性の値を備え、つまり、例えばユーザからインタフェース108を介してフィルタ特性を直接受信する。他の例では、入力データは、例えば複数のフィルタ候補それぞれのフィルタ識別子を提供することによって、シミュレーション装置100に対して複数のフィルタ候補を特定する。この場合、シミュレーション装置100は、これらフィルタのフィルタ識別子とフィルタ特性との間の関連性を例えばルックアップテーブル(図示せず)の形式で記憶しているデータストアからデータを検索し得る。その関連性を記憶しているデータストアは、図1に示されるコンピュータ可読記憶媒体104であり得て、又は、例えば、サーバーデバイス上のデータストア等のインタフェース108を介してアクセスされる遠隔データストアでもあり得る。
Examples of filter characteristics include the geometrical characteristics of the filter, e.g., the length of the
406では、シミュレーション装置100は、濾過プロセスのプロセスパラメータ、つまり、シミュレーションが行われる濾過プロセスのパラメータを特定する。プロセスパラメータとして、例えば、濾過プロセスの種類(例えば、クロスフロー濾過又はデッドエンド濾過)、分配係数、初期供給液体積、初期供給液組成、初期供給液粘度、初期供給液濃度、初期供給液温度、初期供給液溶解度、初期液体透過率の組み合わせが挙げられる。これらパラメータの値を、例えばインタフェース108を介してユーザから受信し得て、又は、フィルタ特性に関して上述したのと同様に、識別子、プロセス、又は、プロセスの種類をインタフェース108を介して受信し、その識別子に基づいてデータを検索することによってパラメータが決定される。
At 406, the
408では、シミュレーション装置100は、特定されたフィルタ特性と特定されたプロセスパラメータに基づいて、複数のフィルタ候補の各々について、濾過プロセスのコンピュータシミュレーションプロセスを行う。シミュレーションの例は以下で詳細に説明する。
At 408,
410では、シミュレーション装置100は、シミュレーションに基づいて、濾過プロセスの出力特性を決定する。例えば、シミュレーション装置100は、濾液体積、濾液組成、濾液粘度、残渣体積、残渣組成、残渣粘度、「ケーク」層の形成に関する特性(膜206の液体透過率に対するその影響等)のうち一つ以上を決定し得る。出力特性は、静的な量(例えば、一定期間後の出力量)として出力され得る。代替的に又は追加的に、出力は、一つ以上の出力特性の時間変動を表し得る。例えば、一つ以上の出力特性を、時間に対するその特性の変動を示すグラフとして表し得る。
At 410,
412では、一つ以上の出力特性に基づいて、複数のフィルタ候補のうちの一つのフィルタ候補を選択する。一部例では、シミュレーション装置100は、決定された出力特性に基づいて選択を行い、その指標をユーザに与え、例えば、選択されたフィルタの識別子がシミュレーション装置100のスクリーン(図示せず)上に表示され得る。例えば、シミュレーション装置100は、決定された出力特性を所望の出力特性(例えばインタフェース108を介してユーザによって入力されたものであり得る)と比較し、他のフィルタ候補よりも所望の出力特性に近い出力特性をもたらす一つのフィルタ候補を選択し得る。一部例では、シミュレーション装置100は、追加的に又は代替的に、例えばスクリーン(図示せず)を介して、決定された出力特性を示すデータをユーザに提供し、提供されたデータに基づいてユーザが選択を行い得る。
At 412, one of the plurality of candidate filters is selected based on one or more output characteristics. In some examples,
上述のコンピュータシミュレーションは、流体力学のモデルに基づいたものであり得て、例えば、ナビエストークス方程式を用いてチャネル内の流れをモデル化し、膜206内の流れについてはブリンクマン方程式を用い得る。そして、流れをモデル化するのに用いられた方程式の解を求めて、出力特性を決定し得る。一例では、シミュレーション装置100は、COMSOL(登録商標)等の有限要素法プログラムを用いて、濾過プロセスをモデル化し得る。
The computer simulations described above may be based on a model of fluid dynamics, for example, using the Navier-Stokes equation to model the flow in the channel and the Brinkman equation for the flow in the
一部例では、コンピュータシミュレーションプロセスは、濾過プロセスの一つ以上の静的プロセス特性を決定することを備える第一シミュレーション段階と、決定された一つ以上の静的プロセス特性に少なくとも部分的に基づいて、濾過プロセスの一つ以上の動的プロセス特性を決定することを備える第二シミュレーション段階を備える。 In some examples, the computer simulation process includes a first simulation step comprising determining one or more static process characteristics of the filtration process; and a second simulation stage comprising determining one or more dynamic process characteristics of the filtration process.
シミュレーションプロセスで使用可能な式とアルゴリズムプロセスの例については、以下の「アルゴリズム例」の節で説明する。 Examples of formulas and algorithmic processes that can be used in the simulation process are described in the "Example Algorithms" section below.
上述のプロセスは、濾過プロセス用のフィルタを選択するための自動化方法を提供する。従来技術の方法にはプロセス作業者が関与し得て、所定の濾過プロセスに機能しそうなフィルタについてのその人の知識と、試験システムでフィルタを用いる試行錯誤とに基づいてフィルタを選択する。しかしながら、こうした方法には時間と費用が掛かり得る。対照的に、上述のプロセスは、試験に必要な時間と費用を掛けず、また、専門家の知識を必要とせずに、所与の濾過プロセスに適したフィルタを選択することを可能にする。 The process described above provides an automated method for selecting filters for the filtration process. Prior art methods may involve a process operator to select filters based on their knowledge of filters likely to work for a given filtration process and trial and error using the filters in a test system. However, such methods can be time consuming and expensive. In contrast, the process described above allows the selection of suitable filters for a given filtration process without the time and expense required for testing and without the need for expert knowledge.
更に、フィルタが選択されると、本願記載のシミュレーションプロセスを用いて、選択されたフィルタで行われる濾過プロセスを改善又は最適化し得る。例えば、一つのフィルタ候補が選択されると(上述のように自動的に又は手動入力によって)、異なるプロセスパラメータでシミュレーションプロセスの更なる反復を行い、基準(例えばユーザ入力によって設定され得る)に従って出力特性を改善し得る。例えば、シミュレーション装置100は、TMP等の要求されたパラメータの指標や、所望の生成物濃度に到達するための予測時間や、フィルタデバイスを交換すべき時間やサイクル数等のアドバイス情報等を提供し得る。
Additionally, once a filter is selected, the simulation process described herein may be used to improve or optimize the filtering process performed by the selected filter. For example, once one filter candidate is selected (either automatically or by manual input as described above), further iterations of the simulation process are performed with different process parameters and output according to criteria (which may be set by user input, for example). properties can be improved. For example, the
従って、本願記載の例は、濾過プロセスの設計及び/又は開発において、例えば、標準的な動作手順の設定や更新において用いられ得る。一部例では、シミュレーション装置100が実際の(シミュレーションではない)濾過プロセスと連動して用いられ得て、これについて図5を参照して以下説明する。
Accordingly, the examples described herein can be used in the design and/or development of filtration processes, eg, in establishing or updating standard operating procedures. In some cases,
図5は、濾過システム500とシミュレーション装置100とを含むシステムを概略的に示す。濾過システム500は濾過プロセスを実行するためのものであり、本例では、濾過システム500はクロスフロー濾過プロセスを実行するためのものである。
FIG. 5 schematically shows a system including
物理的な濾過システム500は、図2を参照して上述した供給容器とフィルタデバイスに対応する供給容器202とフィルタデバイス204を含む。物理的な濾過システム500は、供給管502を介してフィルタデバイス204内に供給液を流す供給ポンプ501を含む。残渣は、残渣管504を介してフィルタから出て行き、容器202に戻る。フィルタデバイス204の膜(図示せず)を通り抜けた濾液は、濾液管506を介してフィルタデバイス204から出て行き、収集管508に収集される。また、物理的な濾過システム500は、システム500内の流れを制御するバルブ512も含む。
例によると、物理的な濾過システム500は、濾過プロセスの一つ以上の特性を測定するセンサ514a、514b、514cを含む。図示の例では、物理的な濾過システム500は、供給液と残渣と濾液それぞれの一つ以上の特性を測定するように構成された供給液センサ514aと残渣センサ514bと濾液センサ514cを含む。測定される特性は、例えば、温度、圧力、流量、及び、濃度のうちの一つ以上を含み得る。
According to an example,
センサ514a、514b、514cは、例えば有線又は無線接続を介して、シミュレーション装置100と通信するように構成される。
シミュレーション装置100は、センサ514a、514b、514cからのデータを用いて、濾過システム500で行っている濾過プロセスに対応する濾過プロセスのシミュレーションのパラメータを変更し得て、その濾過システムが試験システムとして機能する。例えば、センサ514a、514b、514cのうち一つ以上から受信した測定データが、シミュレーションによって決定された予測特性値から逸脱した特性値を示す場合、これを考慮するようにシミュレーションプロセスの一つ以上のパラメータを更新し得る。場合によっては、このような逸脱が検出されると、その逸脱が濾過システム500の故障に起因するものではないことを保証するために、濾過プロセスを繰り返し得る(例えば、フィルタデバイス204と供給液を交換することによって)。
The
他の例では、シミュレーション装置100は、センサ514a、514b、514cから受信したデータを用いて、物理的な濾過システム500の異常を監視し得て、これについて、一例に係る濾過プロセスを監視する方法600を示す流れ図である図6を参照して以下説明する。
In another example, the
602では、シミュレーション装置100は、物理的な濾過システム500によって実行される物理的な濾過プロセスに対応する濾過プロセスのコンピュータシミュレーションを行う。そのシミュレーションは、例えば、上述のようなコンピュータシミュレーションに対応し得る。シミュレーションは、上述のような入力データ、例えばユーザによって入力されたデータ(フィルタ特性データやプロセスパラメータデータ等)に基づいて行われ得る。追加的に又は代替的に、シミュレーションは、センサ514a、514b、514cのうちの一つ以上から受信した測定データで行われ得る。例えば、センサは、上述のような一つ以上のプロセスパラメータを示すデータを提供し、シミュレーションの基礎を成す。
At 602 ,
604では、シミュレーション装置は、シミュレーションプロセスに基づいて、シミュレーションされた濾過プロセスの一つ以上の時間変動特性を決定する。一つ以上の時間変動特性は、濃度、例えば、濾液、残渣、又は供給液の濃度や流量を備え得る。 At 604, the simulation device determines one or more time-varying characteristics of the simulated filtration process based on the simulation process. One or more time-varying characteristics may comprise concentration, eg, filtrate, retentate, or feed concentration or flow rate.
606では、シミュレーション装置100は、センサ514a、514b、514cのうちの一つ以上から測定データを受信する。測定データは、所与の時間における一つ以上の時間変動特性の値を示す。所与の時間は、例えば、濾過システム500で実行される濾過プロセスの開始時間に基づき得る。例えば、シミュレーション装置100は、濾過プロセスの開始時にインタフェース108を介してユーザから指標を受信し得て、又は、例えば、センサ514a、514b、514cのうちの一つ以上から受信したデータに基づいて開始時間を検出し得る。
At 606,
608では、シミュレーション装置100は、濾過システム500から受信した測定データを、決定された一つ以上の時間変動特性と比較する。これは、例えば、測定データが示す特性の値を、コンピュータシミュレーションプロセス中に決定された時間変動特性の値と比較することを備え得る。つまり、シミュレーション装置100は、測定データの値を、シミュレーションプロセスによって決定された所与の時間における特性の予測値と比較し得る。
At 608,
610では、シミュレーション装置100は、比較に基づいて、濾過システム500に異常があるかどうかを決定する。例えば、シミュレーション装置100は、測定データが示す値が所定量よりも大きく(例えば、所定の絶対値よりも大きく、又は所定の割合よりも大きく)予測値と異なる場合に、濾過システム500に異常が存在すると決定し得る。
At 610,
シミュレーション装置100が、濾過システム500に異常が存在すると決定する場合、シミュレーション装置100は、612において異常指標を発生させる。異常指標は、視覚的指標、例えば、シミュレーション装置100のスクリーン上の警告メッセージや「ポップアップ」等であり得て、又は、音響的警告や他の警告であり得る。一部例では、異常指標は、異常の性質に関する情報、例えば、供給液と濾液と残渣のうちの一つ以上の異常な流量や濃度を示す。他の例では、異常指標は、更なる詳細を示さず単純に異常の存在を示す。
If the
シミュレーション装置100が濾過システム500の異常を認めない場合、監視プロセスは606に戻り、濾過システム500から更なる測定データを受信する。
If the
従って、図6を参照して説明される濾過プロセスを監視する方法を用いて、例えば、生成プロセス中に濾過システム500に異常(つまり、故障)が存在することをユーザ、例えば、濾過システム500の作業者に警告し得る。これは、ユーザが異常に対して是正措置(例えばフィルタの交換)を取ることを可能にし、そして、例えば、効率を改善したり、欠陥のある生成物の生成を抑制したりし得る。 Accordingly, using the method of monitoring the filtration process described with reference to FIG. 6, a user, e.g. Workers can be warned. This allows the user to take corrective action (eg filter replacement) on anomalies and may, for example, improve efficiency or reduce the production of defective products.
追加的に又は代替的に、シミュレーション装置100は、受信した測定データと、予測値からの逸脱とを記憶し得て、例えば、その逸脱が異常指標の引き金となるほどには大きくない場合であっても記憶し得る。このデータは、例えば、品質制御の目的で用いられ分析され得る。
Additionally or alternatively,
[アルゴリズム例]
上述のコンピュータシミュレーションプロセスで用いられる式とアルゴリズムの例を以下与える。この例では、第一シミュレーション段階で以下の式を用いる:
[Algorithm example]
Examples of formulas and algorithms used in the computer simulation process described above are given below. In this example, the first simulation stage uses the following equations:
(式1)
・ ΔPは、膜横断圧力(TMP)、つまり、フィルタ膜206にわたる圧力差
・ μは、供給液の粘度
・ Rmは、供給液の粘度と膜の液体透過率に依存する膜起因の抵抗
・ Rgは、ゲルの液体透過率と密度と多孔度に依存する膜206起因の抵抗
(Formula 1)
ΔP is the transmembrane pressure (TMP), the pressure difference across the
(式2)
・ Kは、物質移動係数
・ Cmは、膜206界面における供給液の濃度
・ Cは、バルク溶液の濃度
・ Lpは、膜の液体透過率
・ Rrは、実際の保持力
・ A1、A2、A3はRrに依存する定数であり、実験データに少なくとも部分的に基づいて決定され得る。
(Formula 2)
K is the mass transfer coefficient C m is the concentration of the feed solution at the
(式3)
・ uは、供給液のクロスフロー速度
・ Dは、関連する拡散係数
・ Iは、以下の式4で定義される積分因子
(Formula 3)
u is the feed cross-flow velocity D is the relevant diffusion coefficient I is the integration factor defined in Equation 4 below
(式4)
・ ηは、式5で与えられる無次元変数
・ λは、式6で与えられる
(Formula 4)
η is a dimensionless variable given by Equation 5 λ is given by Equation 6
(式5)
・ Reは、レイノルズ数
・ Scは、シュミット数
・ deは、チャネルの等価直径
(Formula 5)
・ Re is the Reynolds number ・ Sc is the Schmidt number ・ d e is the equivalent diameter of the channel
(式6)
・ J*は、式7で与えられる長さ平均濾液流束
(Formula 6)
• J * is the length-average filtrate flux given by Equation 7
(式7)
(式8)
・ Cpは、濾液の濃度
(Formula 8)
・Cp is the concentration of the filtrate
(式9)
上記式において、以下のフィルタ特性の値は、上述のように入力データとして与えられ得る:即ち、Lp、L、h。以下のプロセスパラメータの値は、上述のように入力としてシミュレーションに与えられ得る:即ち、μ、Rm、Rg、D、de。以下のパラメータ(本願において「静的プロセスパラメータ」と称される)の値は、アルゴリズムに従って決定され得る:即ち、ΔP、u、C、Cm、Cp、J、K。 In the above equation, the values of the following filter characteristics can be given as input data as described above: L p , L, h. The values of the following process parameters can be given as inputs to the simulation as described above: μ, R m , R g , D, d e . The values of the following parameters (referred to herein as "static process parameters") may be determined according to the algorithm: ΔP, u, C, C m , C p , J, K.
一部例では、上記の式が、静的プロセスパラメータを決定するように反復アルゴリズムで用いられる。例えば、J*の値は、同様のフィルタ特性とプロセスパラメータを用いた以前のシミュレーションに基づいて初期設定され得て、又は乱数値で設定され得る。Jの値は式7に基づいて決定される。これに基づいて、他の式を数値計算で解くことによって、又は他の方法によって、Kの値と、次いでΔP、u、C、Cm、Cp、Jの値が計算される。次いで、式7と他の式に基づいて計算されたJの値同士を比較する。Jの計算値同士が所定量よりも大きく異なる場合、例えば、所定の割合(例えば、0.1%)よりも大きく異なる場合、異なる値のJ*を用いて、プロセスを繰り返す。従って、Jの計算値同士が所定量以下で異なるようになるまで、プロセスを反復する。Jの値同士が所定値以下で異なるようになると、J*の値と他の静的プロセスパラメータが第二シミュレーション段階で用いられるように設定される。 In some examples, the above equations are used in an iterative algorithm to determine static process parameters. For example, the value of J * can be initialized based on previous simulations using similar filter characteristics and process parameters, or can be set with random values. The value of J is determined based on Equation 7. Based on this, the value of K and then the values of ΔP, u, C, C m , C p , J are calculated by numerically solving other equations or by other methods. The values of J calculated based on Equation 7 and other equations are then compared. If the calculated values of J differ by more than a predetermined amount, eg, by more than a predetermined percentage (eg, 0.1%), then the process is repeated using a different value of J * . Therefore, the process is repeated until the calculated values of J differ by no more than a predetermined amount. When the values of J differ by less than a predetermined value, the value of J * and other static process parameters are set for use in the second simulation phase.
第二シミュレーション段階は、濾過プロセスの時間変動出力特性、例えば、時間と共に変動する膜横断圧力、供給液の濃度や体積、濾液の濃度や体積等を決定することを備える。例えば、第二シミュレーション段階は以下の式10等の式を用い得る。 The second simulation phase comprises determining the time-varying output characteristics of the filtration process, such as time-varying transmembrane pressure, feed concentration and volume, filtrate concentration and volume, and the like. For example, the second simulation stage may use an equation such as Equation 10 below.
(式10)
・ cfは、供給液濃度
・ vfは、供給液体積
・ ΔPは、TMP
・ Lpは、膜の液体透過率であって、以下の式11で与えられる
・ MAは、溶質の分子量
(Formula 10)
cf is feed concentration vf is feed volume ΔP is TMP
L p is the liquid permeability of the membrane and is given by Equation 11 below M A is the molecular weight of the solute
(式11)
・ Lp,oは、初期液体透過率
・ Δπ0は、初期浸透圧
・ Δπは、時間変動浸透圧
・ Ka、Kcは、ケーク形成プロセスに関する定数である。これら定数の初期値は仮定される。シミュレーションの動的部分が進行するにつれて、他のパラメータで最適曲線フィッティングを得るためにこれら定数の値を更新することによって、ケーク形成プロセスと、濾過プロセスに対するその影響とをシミュレーションする。
(Formula 11)
• L p,o is the initial liquid permeability • Δπ 0 is the initial osmotic pressure • Δπ is the time-varying osmotic pressure • K a , K c are constants related to the cake formation process. Initial values for these constants are assumed. As the dynamic portion of the simulation progresses, the cake formation process and its effect on the filtration process are simulated by updating the values of these constants to obtain an optimal curve fit with other parameters.
上記例の多くは、クロスフロー濾過プロセスに関して説明されているものである。しかしながら、本発明は、他の種類の濾過プロセス、例えばデッドエンド濾過にも等しく適用可能であることを理解されたい。 Many of the examples above are described in terms of cross-flow filtration processes. However, it should be understood that the invention is equally applicable to other types of filtration processes, such as dead-end filtration.
いずれか一つの例に関して説明されている特徴は、単独で使用され得て、又は、本願記載の他の特徴と組み合わせて使用され得て、また、他のいずれかの例又は他の例の組み合わせの一つ以上の特徴と組み合わせても使用され得る。更に、上記で記載されていない等価物や変更を、添付の特許請求の範囲から逸脱せずに採用することもできる。 Features described with respect to any one example may be used alone or in combination with other features described herein, and in any other example or combination of other examples. may also be used in combination with one or more features of Additionally, equivalents and modifications not described above may be employed without departing from the scope of the appended claims.
100 シミュレーション装置
102 プロセッサ
104 コンピュータ可読記憶媒体
106 コンピュータ可読命令
108 インタフェース
200 濾過システム
202 供給容器
204 フィルタデバイス
206 膜
208 フィルタチャネル
210 透過側
212 流出管
100
Claims (11)
前記シミュレーション装置が、入力データを受信し、該入力データに基づいて、濾過プロセス用の複数のフィルタ候補の各々について一つ以上のフィルタ特性を特定することと、
前記シミュレーション装置が、前記濾過プロセスのプロセスパラメータを特定することと、
前記シミュレーション装置が、特定された前記プロセスパラメータ及び特定された前記フィルタ特性に基づいて、前記複数のフィルタ候補の各々について前記濾過プロセスのコンピュータシミュレーションプロセスを行うことと、
前記シミュレーション装置が、前記コンピュータシミュレーションプロセスに基づいて、前記濾過プロセスの一つ以上の出力特性を決定することと、
前記シミュレーション装置が、前記一つ以上の出力特性に基づいて、前記複数のフィルタ候補のうちの一つのフィルタ候補を選択することと、を備え、
前記コンピュータシミュレーションプロセスが、
反復アルゴリズムに少なくとも部分的に基づいて、前記濾過プロセスの一つ以上の静的プロセス特性を決定することを備える第一シミュレーション段階と、
決定された前記一つ以上の静的プロセス特性に少なくとも部分的に基づいて、前記濾過プロセスの一つ以上の動的プロセス特性を決定することを備える第二シミュレーション段階と、を備える、方法。 A method for a simulation device comprising a processor to select a filter for a filtration process, comprising:
the simulation device receiving input data and identifying one or more filter characteristics for each of a plurality of candidate filters for a filtering process based on the input data;
the simulation device identifying process parameters for the filtration process;
the simulation device performing a computer simulation process of the filtering process for each of the plurality of filter candidates based on the identified process parameters and the identified filter characteristics;
the simulation device determining one or more output characteristics of the filtering process based on the computer simulation process;
the simulation device selecting one filter candidate from the plurality of filter candidates based on the one or more output characteristics ;
The computer simulation process comprises:
a first simulation stage comprising determining one or more static process characteristics of the filtering process based at least in part on an iterative algorithm;
and a second simulation stage comprising determining one or more dynamic process characteristics of the filtration process based at least in part on the determined one or more static process characteristics.
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